nghiên cứu giải pháp vật liệu khắc phục ăn mòn bê tông cốt thép công trình thủy lợi dưới tác động của môi trường

L ỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành công trình thủy với tên đề tài “Nghiên cứu giải pháp vật liệu khắc phục ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép công trình th ủy lợi dưới tá

L ỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành công trình thủy với tên đề tài

“Nghiên cứu giải pháp vật liệu khắc phục ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép công trình th ủy lợi dưới tác động của môi trường” đã được hoàn thành

dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Vũ Quốc Vương thuộc bộ môn

Vật liệu xây dựng Trường Đại học Thủy lợi Luận văn được hình thành với hy

vọng góp một phần nhỏ trong việc nghiên cứu giải pháp vật liệu khắc phục ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép tác động của môi trường đặc biệt là công trình Thủy Lợi Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy về sự giúp đỡ

to lớn này

Cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi, cảm ơn Phòng thí nghiệm vật liệu Trường Đại học Thủy Lợi, các tác giả của các đề tài đã nghiên cứu và được công bố về giải pháp vật liệu khắc phục ăn mòn bê tông

và bê tông cốt thép công trình thủy lợi dưới tác động của môi trường

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình, người thân và bạn

bè đồng nghiệp đã cổ vũ, động viên tác giả trong suốt những năm qua

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo đóng góp chân tình của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện hơn trong các công tác nghiên cứu khoa học và làm tốt nhiệm vụ công tác của mình./

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2012

Tác giả

Nguy ễn Doãn Toàn

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Doãn Toàn Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên

cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung

thực, chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GI Ả

Nguy ễn Doãn Toàn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĂN MÒN BT

& BTCT TRÊN TH Ế GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM32T 5

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG

C ỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI32T 17

4.332T 32TCác gi ải pháp vật liệu nhằm nâng cao độ bền bê tông và bê tông

c ốt thép công trình thủy lợi32T 92

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tình trạng ăn mòn bê tông, cốt thép trụ cầu cảng ở Mỹ 8

Hình 1.2 Tình tr ạng ăn mòn bê tông ở Anh 8

Hình 1.3 Tình tr ạng ăn mòn bê tông ở Nam Phi 8

Hình 1.4 C ảng Thương vụ - Vũng Tầu, sau 15 năm sử dụng 15

Hình 1.5 C ảng Cửa Cấm - Hải Phòng, cách biển 25 km, sau 30 năm sử dụng 15

Hình 1.6 Thẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà và tại nhà máy thủy điện Hòa Bình 15

Hình 1.7 Xâm th ực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2 – H ải Phòng 15

Hình 1.8 Xâm th ực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn c ốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển 16

Hình 1.9 Hi ện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê tông kè bi ển Cát Hải – Hải Phòng 16

Hình 2.1 Xâm th ực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn – Bến Tre 16

Hình 2.2 Hi ện trạng xâm thực và phá huỷ kết cấu BTCT cống Bình Cát - Bến Tre 168

Hình 2.3 Ca(OH)R2 Rtrong bê tông ph ản ứng với COR2Rngoài không khí để tạo CaCOR3R 20

Hình 2.4 V ữa xi măng bị dãn nở tạo ra một khe hở được tạo ra giữa cốt liệu và vữa xi măng làm phá hỏng cấu trúc bê tông 24

Hình 2.5 C ốt thép bị ăn mòn trong các công trình cầu bê tông cốt thép 27

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hoá các cốt thép trong bê tông 28

Hình 2.7 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển 31

Hình 3.1 C ấu tạo các mẫu thí nghiệm dùng để đo độ thấm của bê tông 38

Hình 3.2 Khuôn đúc các mẫu thí nghiệm 39

Hình 3.3 Các mẫu thí nghiệm dùng để đo độ thấm của bê tông 39

Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm đo đạc độ thấm khí của bê tông với mẫu trụ khoét l ỗ ở tâm 43

Hình 3.5 Toàn c ảnh bố trí thí nghiệm đo đạc độ thấm khí bê tông 43

Hình 3.6 Bi ến đổi của độ thấm danh định KRaR theo ngh ịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmRở các cấpứng suất khác nhau (T= 25P o P C) 47

Hình 3.7 Biến đổi của độ thấm danh định Ka theo nghịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmR ở các cấp ứng suất khác nhau (T= 60P o P C) 47

Hình 3.8 Biến đổi của độ thấm danh định KRaR theo nghịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmRở các cấp ứng suất khác nhau (T= 105P

o

P

C) 48 Hình 3.9 Bi ến đổi của độ thấm danh định KRaR theo ngh ịch đảo ứng suất trung bình 1/PRmRở các cấp ứng suất khác nhau (T= 150P

o

P

C) 48 Hình 3.10 Gia tăng độ thấm của bê tông K theo ứng suất trong bê tông ở các nhi ệt độ khác nhau 49 Hình 3.11 Gia tăng độ thấm tương đối K/KRoR theo ứng suất trong bê tông 51 Hình 3.12 Gia tăng độ thấm ban đầu của bê tông theo nhiệt độ 52 Hình 3.13 Biến đổi độ bão hòa của bê tông theo nhiệt độ 54 Hình 3.14 Bi ến đổi độ thấm khí ban đầu KRoRtheo độ bão hòa nước của bê tông 55 Hình 3.15 S ơ đồ bố trí mẫu thử trong lồng đo độ thấm nuớc 55

Hình 3.16 Toàn c ảnh bố trí đo đạc độ thấm nước của bê tông trong phòng thí nghi ệm 57 Hình 3.17 Đổ parafin lỏng vào lồng đo để chống thấm nước 58 Hình 3.18 L ắp ráp và siết chặt nắp các lồng đo 58 Hình 3.19 Gia tăng độ thấm nước K (phương P1 và P2) theo áp lực nước 62 Hình 3.20 Gia tăng độ thấm nước K (phương P1) theo ứng suất tương đối σ/σRmaxR 64 Hình 3.21 Gia tăng độ thấm nước K (phương P2) theo ứng suất tương đối σ/σRmaxR 65 Hình 3.22 Tương quan giữa độ thấm khí và độ khyuếch tán clorua khi bê tông b ị 67 Hình 3.23 Gia tăng của độ khuếch tán clorua theo trạng thái phá hủy phân tán của 69 Hình 3.24 Gia tăng của độ khuếch tán clorua theo trạng thái phá hủy của bê tông 69 Hình 3.25 Suy gi ảm của độ khuếch tán clorua theo thời gian 71 Hình 3.26 Gia tăng tuổi thọ công trình theo chiều dày lớp bê tông bảo vệ 74 Hình 3.27 Gia tăng của nồng độ clorua bề mặt theo thời gian 76 Hình 3.28 Gia tăng tuổi thọ công trình bê tông cốt thép theo bề dày lớp bê tông b ảo vệ 77 Hình 3.29 Gia tăng tuổi thọ công trình bê tông dự ứng lực theo bề dày lớp bê tông b ảo vệ 77 Hình 3.30 Ảnh hưởng của trạng thái phá hủy bê tông đến tuổi thọ công trình

bê tông c ốt thép 79

Hình 3.31 Ảnh hưởng của trạng thái phá hủy bê tông đến tuổi thọ công trình

bê tông DƯL 80 Hình 3.32 Tu ổi thọ công trình bê tông cốt thép khi bê tông bị phá hủy sau 5 năm khai thác (Vùng ảnh hưởng bởi sóng biển) 81 Hình 3.33 Tu ổi thọ công trình bê tông dự ứng lực khi bê tông bị phá hủy sau

5 năm khai thác (Vùng ảnh hưởng bởi sóng biển) 82 Hình 3.34 Tu ổi thọ công trình bê tông cốt thép khi bê tông bị phá hủy sau 5 năm khai thác (Vùng thủy triều lên xuống) 82 Hình 3.35 Tu ổi thọ công trình bê tông dự ứng lực khi bê tông bị phá hủy sau

5 năm khai thác (Vùng thủy triều lên xuống) 83 Hình 3.36 Tu ổi thọ công trình bê tông cốt thép khi bê tông bị phá hủy sau 5 năm khai thác (Vùng khí hậu ven biển) 83 Hình 3.37 Tu ổi thọ công trình bê tông dự ứng lực khi bê tông bị phá hủy sau

5 năm khai thác (Vùng khí hậu ven biển) 84

Hình 4.1 Cốt composite “thủy tinh – polymer” 102

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 - Giá trị trung bình của lưu lượng khí vào và biến dạng dọc trục 43

B ảng 3.2 - Sau đây biễu diễn các giá trị độ thấm danh định KRaR 45

B ảng 3.3 - Các giá trị độ thấm khí thực K thu được theo nguyên lý Klinkenberg 49

Bảng 3.5 - Các giá trị độ thấm nước của bê tông theo phương nén mẫu P1 59 B ảng 3.6 - Các giá trị độ thấm nước của bê tông theo phương ngang P2 (vuông góc v ới phương nén mẫu P1) 60

B ảng 3.7 - Tuổi thọ công trình bê tông cốt thép (CRcrR = 0.06 % KLBT) 73

B ảng 3.8 - Tuổi thọ công trình bê tông dự ứng lực (CRcrR = 0.3 % KLBT) 73

Bảng 4.1 - Yêu cầu kỹ thuật đối với xi măng 91

B ảng 4.2 - Bảng so sánh các tính chất cốt thép và cốt composite 103

DANH M ỤC VIẾT TẮT

BT & BTCT : Bê tông và bê tông cốt thép

VKHCNGTVT: Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải

1

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Bê tông cốt thép đã được phát minh và ứng dụng từ giữa thế kỷ 19 Cho đến nay bê tông, bê tông cốt thép vẫn là nguồn vật liệu chủ yếu trong lĩnh vực xây dựng, giao thông, thủy lợi thủy điện Ở Việt Nam, bê tông côt thép đã và đang được sử dụng rất rộng rãi, chất lượng và tuổi thọ của bê tông đã được nghiên cứu và nâng cao nhiều Qua tổng kết đánh của các quốc gia trên thế

giới thì độ bền thực tế của các công trình bê tông như sau: Trong môi trường không có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền vững trên 100 năm Trong môi trường có tính xâm thực mạnh như các vùng ven biển, độ ẩm

lớn, dưới nước… xẩy ra hiện tượng ăn mòn bê tông cốt thép dẫn đến làm nứt

vỡ và phá hủy kết cấu bê tông và BTCT có thể xuất phát sau 10 đến 30 năm

sử dụng

Qua thực tế các công trình giao thông thủy lợi ở Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới, các công trình bê tông và BTCT sau một thời gian đưa vào sử dụng đã bị xuống cấp, đặc biệt là các công trình giao thông, thủy

lợi như: trụ cầu giao thông, dầm cầu giao thông, cống thủy lợi, đê biển…, đã

bị môi trường xâm thực rất mạnh, làm ăn mòn bê tông và cốt thép phá hủy kết

cấu của công trình gây tổn thất rất lớn

Vì vậy nghiên cứu tìm ra được các cơ chế ăn mòn BT & BTCT dưới tác độngcủa môi trường và đưa ra các giải pháp khắc phục tình hình ăn mòn BT

& BTCT công trình thủy lợi là hết sức cần thiết Đề tài: “Nghiên cứu giải pháp v ật liệu khắc phục ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép công trình thủy lợi dưới tác động của môi trường” được đề xuất nhằm đáp ứng các

yêu cầu kỹ thuật và nâng cao chất lượng bê tông và bê tông cốt thép

2

2, M ục đích của đề tài:

Nghiên cứu cơ chế ăn mòn của bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động

của môi trường Đánh giá mức độ ăn mòn phá hủy của bê tông và BTCT dưới tác động của môi trường để đưa ra các biện pháp giảm thiểu khả năng ăn mòn, xâm thực của bê tông và BTCT

3, Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

Sưu tập, nghiên cứu các các tài liệu trong và ngoài nước đang được áp

dụng phổ biến trên thế giới và Việt Nam, trong đó có chú ý tới các nội dung

có liên quan tới bê tông tự lèn để lựa chọn hướng nghiên cứu, phương pháp

hợp lý áp dụng cho điều kiện Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu bao gồm: Phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

* Phương pháp lý thuyết:

+ Nghiên cứu lý thuyết về các phương pháp phân tích tình hình ăn mòn trong và ngoài nước Lựa chọn một số phương pháp để đánh giá tình hình ăn mòn BT & BTCT công trình thủy lợi và đưa ra giải pháp khắc phục ăn mòn

BT & BTCT công trình thủy lợi phù hợp với điều kiện Việt Nam

* Phương pháp thực nghiệm:

+ Xác định các chỉ tiêu ăn mòn BT & BTCT công trình thủy lợi như: độ

thấm khí, thấm nước của Bê tông (Tiêu chuẩn Việt Nam & Tiêu chuẩn một số nước)

+ Tương quan giữa độ khuếch tán ion ClP

-Pvà độ thấm khí của bê tông khi

bê tông bị phá hủy

Đề tài sử dụng các thiết bị thí nghiệm các chỉ tiêu ăn mòn BT & BTCT theo tiêu chuẩn Việt Nam của phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng LAS-XD381

3

4, N ội dung nội văn

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ăn mòn BT & BTCT trên th ế giới và ở Việt Nam

1.1 Tình hình nghiên cứu ăn mòn BT & BTCT trên thế giới

1.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn BT & BTCT ở Việt Nam

Chương 2: Phân tích cơ chế ăn mòn BT & BTCT trong công trình

th ủy lợi

2.1 Hiện tượng ăn mòn các công trình Thủy lợi

2.2 Ăn mòn bê tông

3.1 Công tác chuẩn bị thí nghiệm

3.2 Thí nghiệm đo độ thẩm khí của bê tông

3.3 Thí nghiệm đo độ thấm nước của bê tông

3.4 Tương quan giữa độ khuếch tán Clorua và độ thẩm khí của bê

tông khi bê tông bị phá hủy 3.5 Đánh giá ảnh hưởng của độ thấm ION Cl- đến tuổi thọ cử các

công trình thủy lợi có xét đến trạng thái phá hủy của bê tông 3.6 Kết luận chương 3

Chương 4: Giải pháp khắc phục ăn mòn BT & BTCT công trình

th ủy lợi dưới tác động môi trường

4.1 Giải pháp khắc phục ăn mòn bê tông dưới tác động môi trường

4

4.2 Giải pháp khắc phục ăn mòn bê tông cốt thép dưới tác động

của môi trường

4.3 Các giải pháp vật liệu nhằm nâng cao độ bền BT & BTCT

công trình thủy lợi

4.4 Kết uận chương 4

K ết luận và kiến nghị

5

CHƯƠNG 1

ĂN MÒN BT & BTCT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.1 Tình hình nghiên c ứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới 1.1.1 Tình hình s ử dụng bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới

Tình hình phát triển sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và sản xuất sản

phẩm bê tông xi măng, bê tông cốt thép nói riêng: ở những thế kỉ trước ít phát triển, tốc độ xây dựng chậm Những năm 30 ÷ 40 của thế kỉ XIX công nghiệp

sản xuất xi măng poóclăng ra đời đã tạo ra một bước chuyển biến cơ bản trong xây dựng Cho đến những năm 70 ÷ 80 của thế kỷ XX bê tông cốt thép

mới được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện Loại vật liệu này có nhiều tính ưu việt đã phát triển nhanh chóng và chiếm vị trí quan trọng trong các loại vật liệu xây dựng

Trong quá trình nghiên cứu và thực tiễn sử dụng người ta ngày càng hoàn thiện các phương pháp tính toán kết cấu, ngày càng phát huy được tính

ưu việt và hiệu quả sử dụng chúng Những năm đầu thế kỷ XX cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn ra đời Việc sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn bằng thủ công đã dần được thay thế bằng các các phương pháp cơ giới

Việc nghiên cứu thành công dây chuyền công nghệ sản xuất các cấu

kiện bê tông cốt thép và được đưa vào sản xuất đã tạo điều kiện ngày càng nhiều các nhà máy cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn

Những thập niên vừa qua, các thành tựu về nghiên cứu, lý luận cũng như về các phương pháp tính toán bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới ngày càng thúc đẩy nghành công nghiệp sản xuất cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn phát triển Đặc biệt là thành công của việc nghiên cứu bê tông cốt thép ứng suất trước và ứng dụng nó vào sản xuất cấu kiện bê tông là một

Ngày nay ở những nước phát triển, cùng với sự phát triển của khoa học

kĩ thuật thì việc công nghiệp hoá nghành xây dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện, cơ giới hoá thi công, lắp ghép cấu kiện bằng bê tông tông cốt thép và bê tông ứng suất trước cũng được nghiên cứu, phát triển và được sử dụng rộng rãi Đặc biệt là trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, với các cấu

kiện đúc sẵn ngày càng phong phú đa dạng như: cột điện, dầm mái, dàn mái, ống nước, panen, cọc móng… đáp ứng đầy đủ và kịp thời các đòi hỏi của quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày nay

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trên thế giới

Kể từ báo cáo đầu tiên vào năm 1920 tại Hội nghị hằng hải Quốc tế [6]cho tới nay đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về vấn đề ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường Xung quanh cơ chế phá hủy bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường còn nhiều điều bàn

luận, đặc biệt là bản chất sự ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động

của môi trường Lý do là có nhiều yếu tố xâm thực tác động theo các cơ chế khác nhau Quá trình ăn mòn lại diễn ra chậm do vậy các kết quả thí nghiệm nhanh nếu có mô phỏng thường không lột tả đúng bản chất phá hủy trong

thực tế Trên con đường xác định bản chất ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép dưới tác động của môi trường nước ta đã phải khảo sát rất nhiều công trình

thực tế bị hư hỏng

Năm 1980, trong báo cáo của mình tại hội nghị khoa học đầu tiên về độ

bền lâu của công trình biển ở New Brunswick [8], K.Mehta đã trích dẫn kết

7

quả khảo sát thực tế trên nhiều công trình đã tồn tại từ 60 ÷ 100 năm trong môi trường biển Thực tế chỉ ra rằng chủ yếu hư hỏng do ăn mòn cốt thép,

nhất là vùng nước lên xuống Đối với bê tông có phát hiện thấy hiện tượng

mềm hóa khi có hàm lượng xi măng thấp Một số trường hợp bê tông nứt bề

mặt, nguyên nhân đa phần là do phản ứng kiềm- silic hoặc nứt vì các lý do khác Trong thành phần bê tông lâu năm ở biển có xác định một số sản phẩm

ăn mòn như aragonite, brucite, ettringite, magnesium silicat hydrate,… Tuy

vậy ở một số công trình, bê tông còn giữ được chất lượng cao sau nhiều năm

ở biển (70 năm), mặc dù được chế tạo từ xi măng poóclăng với hàm lượng

Tại Nhật Bản, Sh.Toyama và Y.Ishii[10] đã công bố kết quả khảo sát

494 cấu kiện đơn lẻ trên các cảng biển ở Nhật bản Rất nhiều kết cấu bị ăn mòn cốt thép dẫn tới nứt vỡ bê tông bảo vệ Hàm lượng ion ClP

-P

trong bê tông

rất cao

8

Hình 1.1: Tình tr ạng ăn mòn bê tông, cốt thép trụ cầu cảng ở Mỹ

Tình tr ạng ăn mòn bê tông ở Anh Tình tr ạng ăn mòn bê tông ở Nam Phi

Tại Nga việc nghiên cứu về độ bền của bê tông và bê tông cốt thép đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Theo V.M Moskvin, công trình của Vica “nghiên cứu nguyên nhân hóa học phá hủy và các biện pháp nâng cao

khả năng chống ăn mòn của các chất kết dính rắn trong nước” là công trình nghiên cứu khoa học đầu tiên về ăn mòn Những năm đầu của thế kỷ XX viện nghiên cứu độ bền các công trình thủy lợi biển của Nga do những kỹ sư xây

dựng nổi tiếng như A.R Shuliachenko, V.I Charnomskij đã khảo sát những công trình bê tông và bê tông cốt thép tại các hải cảng châu Âu và Nga Họ đã

đi đến kết luận rằng bằng xi măng poóclăng không thể chế tạo bê tông cốt thép bền vững trong môi trường biển Sự nâng cao độ đặc bê tông chỉ có thể

9

mang lại tuổi thọ cho các công trình từ 20 ÷ 30 năm Những nghiên cứu về sử

dụng bê tông và bê tông cốt thép trong các xí nghiệp công nghiệp được thực

hiện vào đầu thế kỷ XX như công trình nghiên cứu của E.Rabal’d Đặc biệt là công trình nghiên cứu của A.A Bajkov là công trình nghiên cứu có giá trị lớn trong lĩnh vực này Ông đã phân tích nguyên nhân gây ăn mòn bê tông và

những biện pháp áp dụng trong thực tế chống ăn mòn Kavatosi trong công trình nghiên cứu của mình đã đưa ra loại phụ gia tổng hợp siêu dẻo (Furylacol

- Ca(NOR 3 R)R 2 R) để chế tạo vữa bền trong môi trường chịu tác động xâm thực của các muối gây ăn mòn G.Bachacốp trong một công trình khác đã công bố việc

sử dụng dầu nhựa thông với hàm lượng 0,15% đề chế tạo vữa và bê tông có

khả năng chống ăn mòn cao

Các nghiên cứu đều có kết luận thống nhất về nguyên nhân ăn mòn là do các sản phẩm hủy hóa của xi măng bị tan vào môi trường hoặc tác dụng với các muối, axit có trong môi trường tạo ra những hợp chất có tính tan mạnh

hoặc nở thể tích gây nên sự phá hủy kết cấu nội bộ các công trình Các công trình nghiên cứu cũng đánh giá được hiệu quả của các biện pháp chống ăn mòn: Dùng phụ gia vô cơ hoạt tính, dùng xi măng đặc biệt…Các bình luận về nguyên nhân gây ăn mòn và giới hạn độ bền của kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép dùng trong các môi trường này vẫn còn nhiều vấn đề phải tranh cãi kéo dài cho đến nay

1.2 Tình hình nghiên c ứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam 1.2.1 Tình hình s ử dụng bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam

Trong những năm qua nền kinh tế nước ta đã phát triển một cách mạnh

mẽ Từ những thành tựu phát triển kinh tế đó và nhu cầu của con người càng được cao như nhu cầu về nhà ở, nhà làm việc, giao thông đi lại, điện nước sinh hoạt, các công trình phúc lợi…Những năm gần đây đi đôi với việc phát triển nhanh chóng bê tông và bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong các

10

ngành xây dựng dân dụng công nghiệp, giao thông vận tải và đặc biệt là trong

thủy lợi, thủy điện bê tông và bê tông cốt thép khối lớn được dùng rất nhiều Song song với việc trên việc khí hậu toàn cầu thay đổi tác động vào nước ta là

rất lớn như thủy triều dâng ở TP HCM, thiên tai bão lũ, sạt lở ở các tỉnh miền Trung … đòi hỏi phải có những công trình bảo vệ tài sản và tính mạng của người dân thì bê tông và bê tông cốt thép được dùng ngày càng nhiều hơn

Việt Nam là một nước đang trong giai đoạn phát triển với dân số gần 80 triệu dân, tiềm năng phát triển rất lớn Vì vậy trước mắt phải xây dựng một cơ

sở hạ tầng hoàn chỉnh hơn để đáp ứng tốc độ phát triển của đất nước để làm được điều này ngành xây dựng công nghiệp dân dụng, ngành giao thông vận

tải, ngành thủy lợi, thủy điện và ngành sản xuất vật liệu xây dựng cần thiết

phải đi trước một bước trong quá trình phát triển Trong đó nghành sản xuất

vật liệu xây dựng phải được ưu tiên đầu tư phát triển mạnh hơn Vì vậy trong

những năm qua Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách đầu tư phát triển hợp lý cho nghành VLXD đã và đang sản xuất các nhà máy sản xuất vật

liệu xây dựng hiện đại công suất lớn ngang tầm với các nước trong khu vực

và các nước phát triển trên thế giới Cùng với sự phát triển của nghành xây

dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện… nhu cầu về các loại sản phẩm bê tông

và bê tông cốt thép cho các nghành xây dựng cơ bản, giao thông, thủy lợi,

thủy điện là rất lớn Nó đóng vai trò quan trọng hàng đầu các vật liệu sử dụng cho xây dựng

Nhằm thoả mãn nhu cầu đó, ngành VLXD cần ưu tiên phát triển theo chiều sâu, đổi mới trang thiết bị, công nghệ sản xuất tiên tiến Theo định hướng này ngành sản xuất bê tông và cấu kiện bê tông đúc sẵn đã và đang được nhà nước đầu tư thích đáng và đạt được một số kết quả khả quan Các

cấu kiện bê tông cốt thép đúc sẵn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng Để đáp ứng được nhu cầu này cần thiết

11

phải xây dựng các nhà máy sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn nhằm đáp ứng được tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng của nước ta nói chung, thủ đô Hà Nội nói riêng và trong tương lai

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép ở Việt Nam

Nhiều công trình xây dựng bằng bê tông và bê tông cốt thép ở nước ta sau một thời gian khai thác đã bị ăn mòn và phá hoại trong các môi trường có tính chất ăn mòn Điều đó đòi hỏi phải có các biện pháp phòng ngừa để hạn

chế sự ăn mòn của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Nhà nước ta đã ban hành các tiêu chuẩn nhà nước: TCVN 3993:85 “Chống ăn mòn trong xây

dựng kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - nguyên tắc cơ bản để thiết kế”, TCVN 3994:85 “Chống ăn mòn trong xây dựng - kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép - phân loại ăn mòn”, TCXD 149-86 “ Bảo vệ kết cấu xây dựng khỏi

bị ăn mòn” Tuy nhiên, các tiêu chuẩn này chưa đề cập đến tất cả các loại ăn mòn, các môi trường ăn mòn, do đó việc áp dụng cũng bị hạn chế và chưa phát huy được tác dụng trong thực tế

Nhận thức được tính cấp bách của việc chống ăn mòn bê tông và bê tông

cốt thép, ở nước ta có nhiều cơ quan khoa học đã nghiên cứu vấn đề này Các

đề tài nghiên cứu chưa quan tâm nghiên cứu về lý thuyết, mà chủ yếu đi vào các biện pháp cụ thể chống ăn mòn cho công trình kết cấu bê tông và bê tông

cốt thép Các nghiên cứu tập trung vào việc chống ăn mòn của môi trường

lỏng, chủ yếu là môi trường biển, vì nước ta có hơn 2000km bờ biển và ngày càng có nhiều công trình quan trọng được xây dựng trong môi trường biển Không có nhiều công trình nghiên cứu chống ăn mòn cho bê tông và bê tông

cốt thép dưới tác động của môi trường

Trong những năm cuối của thập kỷ 60 có một số nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát hư hỏng các kết cấu bê tông cốt thép ở cảng Hòn Gai, Hải

12

Phòng được xây dựng từ năm 1914 và cũng đã đưa ra nhận xét là cần phải có quy định riêng cho các công tác thiết kế và thi công bê tông, bê tông cốt thép vùng biển, khác với kết cấu nằm sâu trong nội địa những nghiên cứu đầu tiên

nhằm tìm ra biện pháp bảo vệ công trình biển cũng đã được tiến hành từ

những năm đầu của thập kỷ 80 Đáng tiếc là cho tới nay các kết quả nghiên

cứu được ứng dụng vào thực tế xây dựng còn hạn chế Một mặt là do chưa tạo được hành lang pháp lý thông qua hệ thống quy phạm, tiêu chuẩn để áp dụng

Mặt khác phần lớn các giải pháp đều chưa đạt được tính toàn diện, chủ yếu

mới thiên về một số giải pháp cục bộ như bảo vệ bằng sơn phủ kết cấu, sử

dụng chất ức chế ăn mòn, tăng cường độ chống thấm của bê tông bằng phụ gia… Hậu quả là hàng loạt các công trình ven biển được xây dựng ồ ạt trong

những năm 80 và 90 vẫn áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường nên

có tuổi thọ rất thấp Trung bình sau 10 ÷ 15 năm sử dụng đã có dấu hiệu hư

hỏng nghiêm trọng

Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (VKHCNXD) - Bộ Xây dựng từ

những năm đầu của thập kỷ 80 đã triển khai nghiên cứu lĩnh vực chống ăn mòn bê tông bảo vệ cốt thép, đã đạt được một số thành quả nhất định theo hướng sử dụng phụ gia ức chế ăn mòn và sơn phủ bề mặt kết cấu đối với công trình biển Năm 1994, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường đã giao cho VKHCNXD [2] nghiên cứu tổng thể các điều kiện kỹ thuật cần thiết để bảo

vệ chống ăn mòn và đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép xây dựng ở vùng biển phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế và xã hội ở

Việt Nam (đề tài mã số ĐTĐL-40/94) Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu này,

đã biên soạn những chỉ dẫn kỹ thuật cần thiết cho công tác xây dựng và sửa

chữa công trình làm bằng bê tông và bê tông cốt thép vùng biển nước ta VKHCNXD cũng đã xây dựng tiêu chuẩn ngành về vấn đề này Nhưng cho

tới nay vẫn chưa được ban hành

mộc), nước thải bã giấy nhằm nâng cao độ chắc cho bê tông Tăng cường bảo

vệ mặt ngoài kết cấu bê tông bằng các lớp sơn phủ chống thấm như: Sơn bitum- cao su, sơn bitum-epoxy

Viện Khoa học Thủy Lợi đã thành công trong đề tài sử dụng phụ gia bentonit tăng chống thấm, giảm ăn mòn cốt thép đối với các công trình thủy lợi Vào những năm cuối của thập kỷ 90 có một số đề tài về công nghệ vật

liệu mang mã số KC-05-13A về triển khai chế tạo các tổ hợp bê tông và vữa

có phụ gia ức chế ăn mòn và bảo vệ cốt thép trong môi trường biển Việt Nam

Đề tài này bao gồm các nhánh đề tài: Nghiên cứu chất ức chế ăn mòn cốt thép, nghiên cứu dùng phụ gia ZKJ, nghiên cứu dùng phụ gia bentônít cải tiến , nghiên cứu dùng phụ gia khoáng SISEX, nghiên cứu dùng phụ gia SP melamin foocmaldehit sunfomat, nghiên cứu dùng phụ gia polymer trong bê tông

Mục đích đưa các loại phụ gia trên vào bê tông là để tăng cường độ đặc

chắc, độ chống thấm cho bê tông, từ đó ngăn ngừa hoặc hạn chế ăn mòn Các phương pháp ức chế ăn mòn, bảo vệ catốt thường phối hợp với các phương pháp chống ăn mòn bê tông, nhằm bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông

cốt thép nói chung

Liên tục trong các năm từ 1995 đến năm 2003 đã có nhiều hội nghị khoa

học về chống ăn mòn cho các công trình xây dựng được tổ chức ở các cơ quan như VKHCNXD [5] , VKHCNGTVT, Trường Đại học Xây dựng Hà

Nội Tuy nhiên các đề tài đều tập trung vào công tác chống ăn mòn cho các công trình biển, chưa có một hội nghị chính thức nào nói về ăn mòn của công trình xây dựng dân dụng công nghiệp và công trình trong môi trường nước ngọt

14

Ngoài những đề tài trên, còn có một số nghiên cứu khác về chống ăn mòn và tăng tuổi thọ cho công trình bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển và ở vùng ven biển Trước đây nhà nước ta đã cử một số cán bộ khoa học sang học ở các nước bạn (Liên Xô, Ba Lan, Tiệp Khắc, Rumani…) làm nghiên cứu sinh, nghiên cứu các đề tài về ăn mòn bê tông trong nước

biển

Tuy đã có một số kết quả nghiên cứu về bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường biển ở nước ta nhưng cho đến nay vẫn chưa triển khai áp

dụng được nhiều vào sản xuất Chúng ta đã nghiên cứu sản xuất được một số

loại xi măng bền trong môi trường nước biển như: Xi măng chống sunphat, xi măng bari và đã được sử dụng một số công trình bê tông cốt thép trong nước

mặn hoặc chịu ảnh hưởng của nước mặn

Năm 2000 nhà nước ta đã cho phép VKHCNXD [3] thực hiện một số dự

án kỹ thuật, kinh tế về chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và bê tông cốt thép vùng biển Đề tài này được triền khai hai năm 2000 ÷ 2001 Hy

vọng rằng các dự án được thực hiện sẽ có nhiều kết quả ứng dụng vào các công trình xây dựng

Hình 1.6 Th ẩm tiết vôi tại nhà máy Thủy điện Thác Bà và tại nhà máy thủy

điện Hòa Bình (Nguồn tin internet)

Hình 1.7 Xâm th ực bê tông do ảnh hưởng của mực nước thay đổi tại cống C2

– H ải Phòng(Nguồn tin internet)

16

Hình 1.8 Xâm th ực BTCT do tác động tổng hợp của mực nước thay đổi, ăn mòn c ốt thép, ăn mòn bê tông trong môi trường nước biển (Nguồn tininternet)

Hình 1.9 Hi ện trạng ăn mòn rửa trôi và ăn mòn cơ học do sóng biển của bê

tông kè bi ển Cát Hải – Hải Phòng (Nguồn tin internet)

Hình 2.1 Xâm thực bê tông do bị mài mòn, rửa trôi cống Vàm Đồn – Bến Tre

(Ngu ồn tin internet)

17

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ĂN MÒN BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT

2.1 Hi ện tượng ăn mòn các công trình Thủy Lợi

Độ bền của công trình được quyết định bởi nhiều yếu tố, như thiết kế, thi công, vật liệu sử dụng, khai thác.v.v…Trong đó vật liệu là yếu tố có thể nói là quan trọng nhất Đối với các công trình xây dựng nói chung và các công trình thuỷ lợi nói riêng, thì bê tông và thép là hai loại vật liệu chính được sử dụng thường xuyên, cấu thành nên kết cấu bê tông cốt thép có độ bền cao, giá thành

rẻ và có tính linh hoạt Một vật liệu chịu nén tốt và rẻ là bê tông kết hợp với

một vật liệu chịu kéo - nén tốt là cốt thép cho phép các nhà thiết kế có được các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi đạt hầu hết các yêu cầu xây

dựng hiện đại ngày nay Thực tế cho thấy, nếu sử dụng bê tông cốt thép thì sẽ

tiết kiệm được đáng kể chi phí dành cho việc xây dựng, duy tu, bảo dưỡng so

với việc sử dụng vật liệu thép đơn thuần Trong lĩnh vực xây dựng thủy lợi,

vật liệu bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi để làm các công trình như:

cống, tường chắn đất, kè, đập bê tông trọng lực Để duy trì các lợi thế của bê tông cốt thép trong các công trình này trong suốt quá trình vận hành khai thác, thì một yếu tố quan trọng là phải đảm bảo độ bền của bê tông và cốt thép trước ảnh hưởng của các yếu tố môi trường gây ra Tuy vậy, do nhiều nguyên nhân liên quan đến quá trình thiết kế, thi công, bảo dưỡng mà cả bê tông và

cốt thép đều bị suy giảm độ bền theo thời gian, nhất là khi làm việc trong các môi trường có tính xâm thực cao Trong đó, sự suy giảm độ bền của các kết

cấu công trình do ăn mòn bê tông và cốt thép là nguyên nhân chủ yếu

cảng, cống, đập, kè ở Việt nam đã tạo điều kiện cho nước và không khí có hại thấm vào bên trong kết cấu Và điều có thể chắc chắn rằng các bộ phận kết

cấu công trình này sẽ bị ăn mòn theo thời gian Ăn mòn các bộ kết cấu công trình bằng bê tông cốt thép xảy ra đồng thời ở cả ăn mòn bê tông và ăn mòn các cốt thép ở bên trong Trong đó, sự ăn mòn bê tông xảy ra là một trong

những điều kiện quan trọng làm cho quá trình ăn mòn các cốt thép xảy ra nhanh hơn

2.2 Ăn mòn bê tông

Bê tông là loại vật liệu rỗng được cấu thành bởi đá xi măng và khung cốt

liệu Trong môi trường có tác động xâm thực, bê tông dễ dàng bị ăn mòn nếu không có các giải pháp bảo vệ hợp lý Đá xi măng là phần bị ăn mòn đầu tiên,

tiếp đó là phần liên kết giữa đá xi măng và khung cốt liệu, còn các cốt liệu

19

khó bị ăn mòn hơn Khi đá xi măng bị ăn mòn thì cấu trúc của bê tông cũng bị phá hủy theo

Bê tông bị ăn mòn khi tiếp xúc với chất lỏng hoặc khí có chứa các chất

ăn mòn Nước biển, nước phèn chua, nước khoáng, nước thải công nghiệp là

những chất lỏng gây ăn mòn bê tông mạnh nhất Các loại khí thải của nhà máy hóa chất hoặc khí hậu ven biển là các tác nhân khí gây ăn mòn bê tông

Tốc độ của quá trình ăn mòn bê tông phụ thuộc vào đặc tính của xi măng sử

dụng, hàm lượng và loại phụ gia bê tông và đặc biệt là nồng độ của các chất hóa học gây ăn mòn có trong nước hay không khí mà bê tông tiếp xúc trực

tiếp Đặc biệt, khi bê tông chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao hoặc có các tác động cơ học gây phá hủy cấu trúc rỗng của bê tông thì quá trình ăn mòn bê tông xảy ra càng nhanh

Có thể phân ra hai dạng ăn mòn chính của bê tông là ăn mòn hóa học và

ăn mòn vật lý Ăn mòn hóa học là kết quả tương tác hóa học của môi trường bên ngoài với các khoáng của đá xi măng và cốt liệu; do các phản ứng hóa

học, sự phá hủy của cấu trúc bê tông dần dần xẩy ra, làm giảm độ bền của bê tông, và cuối cùng là phá hủy cả kết cấu công trình Ăn mòn vật lý bê tông

diễn ra dưới ảnh hưởng của nội lực và ngoại lực, gây ra do tác dụng của tải

trọng sử dụng, do giãn nở thể tích của nước đóng băng trong các lỗ của bê tông, do thấm ướt và sự khô, ẩm thay đổi

2.2.1 Ăn mòn hóa học của bê tông

Do tính đa khoáng của xi măng, sự tương tác của nó trước các muối khác nhau trong môi trường là rất khác nhau Có thể chia thành các dạng cơ bản ăn mòn bê tông sau đây:

2.2.1.1 Ăn mòn bê tông do sự hòa tan các sản phẩm thủy hóa của xi măng

Quá trình ăn mòn dạng này diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là hyđroxyt canxi (Ca(OH)R 2 R) và aluminat canxi

20

ngậm nước CaO.AlR 2 ROR 3 R.nHR 2 RO) bị hòa tan, đặc biệt hydroxyt canxi (Ca(OH)R 2 R) tan mạnh nhất Dạng ăn mòn này diễn ra khi sự tác động của nước tương đối tinh khiết Trong không khí luôn có khí COR 2 Rvà hơi nước, nếu bê tông bị phá

hủy hoặc bị nứt thì hydroxyt canxi Ca(OH)R 2 R sẽ bị thấm ra ngoài và phản ứng

với COR 2 Rvà nước tạo ra đá xi măng CaCOR 3 R (Hình 2.3) Loại ăn mòn này còn được gọi là quá trình khử kiềm trong bê tông (sự chết trắng bê tông) làm giảm

độ pH trong bê tông và thúc đẩy quá trình ăn mòn cốt thép

Hình 2.3 Ca(OH)R2R trong bê tông ph ản ứng với COR2 Rngoài không khí để tạo

CaCOR3

Các yếu tố như loại và hàm lượng phụ gia, thời gian đông cứng, điều

kiện bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đáng kể đến dạng ăn mòn này Dạng ăn mòn này có liên hệ mật thiết với độ thấm nước của bê tông, vì có sự thấm nước mà vôi ở bên trong bê tông mới có thể thấm ra bên ngoài

2.2.1.2 Ăn mòn bê tông do các phản ứng của đá xi măng với môi trường

Là do các phản ứng trao đổi giữa nước chứa các chất hóa học xâm thực (axit, muối) và các thành phần của đá xi măng gây ra Những sản phẩm phản ứng tạo thành bị hòa tan và bị nước mang đi, hoặc bị tách ra dạng khối vô định hình dạng xốp Trong số các tác nhân gây ăn mòn loại này thí axit là tác

tiếp với khí cácbonic và nước để tạo thành Ca(HCOR 3 R)R 2 R, là chất có độ hòa tan

mạnh Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình ăn mòn bê tông do axit cácbonic như sau:

COR 2 R + Ca(OH)R 2 R → CaCOR 3 R + HR 2 RO (2.1) CaCOR 3 R + COR 2 R + HR 2 RO → Ca(HCOR 3 R)R 2 R (2.2)

Ăn mòn do các axit khác như HCl, HR 2 RSOR 4 R, HNOR 3 Rvà các axit hữu cơ như axit lactic, axit axetic cũng diễn ra tương tự Các phản ứng hóa học hòa tan Ca(OH)R 2 Rnhư sau:

Ca(OH)R 2 R + 2HCl = CaClR 2 R + 2HR 2 RO (2.3) Ca(OH)R 2 R + HR 2 RSOR 4 R = CaSOR 4 R + 2HR 2 RO (2.4) Ca(OH)R 2 R + 2HNOR 3 R = Ca(NOR 3 R)R 2 R + 2HR 2 RO (2.5) CaClR 2 R, Ca(NOR 3 R)R 2 R là các muối có độ hòa tan mạnh Còn CaSOR 4 R sẽ tác dụng với 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO để sinh ettringit gây trương nở thể tích đá

xi măng và làm phá vỡ cấu trúc của đá xi măng

Ăn mòn do các hợp chất chứa manhê như MgSOR 4 Rvà MgClR 2 R phản ứng

với Ca(OH)R 2 Rnhư sau:

MgSOR 4 R + Ca(OH)R 2 R + 2HR 2 RO = CaSOR 4 R.2HR 2 RO + Mg(OH)R 2 R (2.6)

MgClR 2 R + Ca(OH)R 2 R = CaClR 2 R + Mg(OH)R 2 R (2.7)

22

Trong đó, muối CaClR 2 Rcó độ hòa tan mạnh còn CaSOR 4 R tạo thành Ettringit như đã nêu ở trên Chất kiềm Mg(OH)R 2 R là chất rời rạc, không có tính dính kết, làm suy giảm cấu trúc bê tông Nhiều quan sát đã chỉ ra rằng: khi ăn mòn Magie trên bề mặt bê tông, lớp phấn trắng bắt đầu được tạo thành, để tích lũy chất vô định hình trong các khoảng trống, trong các lỗ và trong các vết

nứt của bê tông Đôi khi nước không chuyển động và nồng độ MgClR 2 R nhỏ,

dẫn đến làm chắc đặc kết cấu lớp bề mặt bê tông Song, với sự chuyển động

của nước, đặc biệt với sự có mặt của NaCl trong nước (nước biển) khi độ tan

của Ca(OH)R 2 R và Mg(OH)R 2 R tăng lên vài lần, thì lớp như vậy không được tạo thành, sự ăn mòn diễn ra liên tục khi đó xâm chiếm liên tiếp các lớp mới của

bê tông Ăn mòn Magie đáng kể khi nồng độ MgClR 2 R lớn hơn 2%

2.2.1.3 Ăn mòn bê tông do sự trương nở của đá xi măng

Là sự tích tụ và tạo thành các tinh thể muối ở bên trong kết cấu đá xi măng gây ra, do sự tương tác của các sản thủy hóa xi măng với các hợp chất

của môi trường hoặc xâm thực từ bên ngoài, làm tăng thể tích nhiều, gây nội ứng suất phá hoại kết cấu đá xi măng và mở đường cho các tác nhân ăn mòn xâm nhập tiếp vào sâu bên trong bê tông và nhanh chóng phá hoại bê tông

Phổ biến là sự tương tác của nước Sunfat (thường có trong nước ngầm, nước

thải công nghiệp (sản suất phân bón, mạ, than cốc …) và có nhiều trong nước

Ăn mòn dạng này là sự ăn mòn nguy hiểm nhất Ở giai đoạn đầu tiên,

những tinh thể tạo thành và phát triển, chất đầy các lỗ, các mao quản của đá

xi măng, làm chắc đặc bê tông, làm tăng độ bền của nó Nhưng sau đó, các tinh thể phát triển, làm tăng kích thước, bắt đầu đè nén lên thành lỗ mao quản, gây ra lực căng trong mối liên kết cấu trúc xi măng Vì những liên kết này chính là các ái lực tinh thể, các ái lực này có khả năng biến dạng nhỏ, không

23

phá hủy nhưng đứt đoạn riêng xuất hiện liên hợp tạo thành các vết nứt Những

vết nứt xuyên qua các khối bê tông dẫn đến phá hủy hoàn toàn bê tông Nước Sunfat là nguy hiểm nhất cho sự ăn mòn dạng này Vì thế, người ta thường

gọi ăn mòn dạng này là ăn mòn Sunfat Muối Sunfat thường gặp trong đa số các loại nước tự nhiên Quá trình ăn mòn diễn ra như sau:

+ Đầu tiên là sự tương tác của các muối sunfat MgSOR 4 R, NaR 2 RSOR 4 R với hydroxyt canxi Ca(OH)R 2 Rtheo phương trình:

MgSOR 4 R + Ca(OH)R 2 R + HR 2 RO = CaSOR 4 R.2HR 2 RO + Mg(OH)R 2 R (2.8)

NaR 2 RSOR 4 R + Ca(OH)R 2 R + 2HR 2 RO = CaSOR 4 R.2HR 2 RO + 2NaOH (2.9)

+ Sản phẩm CaSOR 4 R.2HR 2 RO được hình thành, tăng thể tích gấp 2,34 lần so

với thể tích của Ca(OH)R 2 R Tuy nhiên CaSOR 4 R.2HR 2 RO lại tiếp tục tương tác với 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO để tạo thành 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.3CaSOR 4 R.31HR 2 RO ettringit nở thể tích lên 4,8 lần theo phản ứng sau:

3CaO.AlR 2 ROR 3 R.6HR 2 RO + 3(CaSOR 4 R.2HR 2 RO) + 19HR 2 R = 3CaO.AlR 2 ROR 3 R.3CaSOR 4 R.31HR 2 RO (2.10)

Sản phẩm ettringit nở thể tích nhiều lần sẽ phá vỡ cấu trúc đá xi măng và

bê tông làm xuất hiện các vết nứt tạo điều kiện cho nước và không khí đi vào trong bê tông gây ăn mòn cốt thép bên trong

24

Hình 2.4 - V ữa xi măng bị dãn nở tạo ra một khe hở được tạo ra giữa cốt liệu

và v ữa xi măng làm phá hỏng cấu trúc bê tông

Mg(OH)R 2 R là hợp chất rời rạc không keo kết cũng làm suy yếu cấu trúc

của đá xi măng và bê tông NaOH là chất hòa tan mạnh trong nước

Ettrigit kết tinh và nằm lại trong các lỗ rỗng của đá xi măng và bê tông, tăng thể tích gấp 4,8 lần so với thể tích của các hợp chất sinh ra nó Chính vì

sự nở thể tích của các sản phẩm này mà cấy trúc của bê tông có thể bị phá vỡ Trong môi trường nước có các muối amôn như amoni clorua, amoninitrat và amoni sunphat thì sẽ sinh ra các phản ứng sau đây:

NHR 4 RCl + Ca(OH)R 2 R + 2HR 2 RO = CaClR 2 R.2HR 2 RO + 2NHR 4 ROH (2.11)

4CaOAlR 2 ROR 3 R.xHR 2 RO + CaClR 2 R.2HR 2 RO + HR 2 RO = Ca(OH)R 2 R.2HR 2 RO +

+ CaO.AlR 2 ROR 3 R.CaClR 2 R.xHR 2 RO (2.12) 2NHR 4 RNOR 3 R + Ca(OH)R 2 R + 4HR 2 RO = Ca(NOR 3 R)R 2 R.4HR 2 RO + 2NHR 4 ROH (2.13)

4CaOAlR 2 ROR 3 R.xHR 2 RO + Ca(NOR 3 R)R 2 R.4HR 2 RO + HR 2 RO = Ca(OH)R 2 R +

+3CaO.AlR 2 ROR 3 R.Ca(NOR 3 R)R 2 R.xH2O

(2.14)

Khi trong nước có kiềm (NaOH), kiềm thấm vào bê tông Sau đó bê tông tiếp xúc với không khí, thì kiềm sẽ tương tác với COR 2 R trong không khí theo phản ứng:

2NaOH + COR 2 R + HR 2 RO = NaR 2 RCOR 3 R + 2HR 2 RO

(2.17) Natri cacbonat kết tinh nở thể tích, nên phá vỡ cấu trúc của bê tông Vì

vậy phản ứng hoá học nêu trên là phản ứng phá hoại bê tông do kiềm

2.2.2 Ăn mòn vật lý của bê tông

Độ bền của các kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được xác định không

chỉ bởi tính chất của tương tác hóa học và môi trường ngoài mà còn bởi trạng thái ứng suất của bê tông, các tác động gây ra của ngoại và nội lực Thể tích

của băng, khi đóng băng nước trong lỗ, bị tăng lên là nguồn gốc của nội lực Khi chu kỳ đóng và tan băng của bê tông đã được bão hòa nước, có ảnh hưởng đến độ bền của bê tông

Ứng suất nhiệt thay đổi dấu, phát sinh khi đóng băng và tan băng của bê tông, làm yếu lực liên kết giữa các hạt cốt liệu lớn và đá xi măng - cát vì sự

Những tải trọng lặp lại này gây mỏi, làm yếu liên kết mạng lưới kết cấu

vật liệu và càng có khả năng phát triển các vết nứt nhỏ trong đá xi măng Tóm lại, ăn mòn hóa học cũng như ăn mòn vật lý phụ thuộc trực tiếp vào độ xốp và độ thấm của nó Khi bê tông càng đặc chắc độ thẩm thấu của

nó càng nhỏ, thì sự ăn mòn phát triển càng chậm Và quá trình ăn mòn bê tông là một quá trình tổng hợp do tác động của nhiều yếu tố gây nên Song quá trình ăn mòn bê tông diễn ra chậm trong một thời gian dài (20 ÷ 30 năm) Trong khi đó các dạng ăn mòn khác, đặc biệt là ăn mòn cốt thép, diễn ra nhanh chóng dẫn đến phá hủy kết cấu trước khi bê tông bị ăn mòn

2.3 Ăn mòn cốt thép

Bê tông vốn là môi trường có độ kiềm cao (pH > 12) Chính môi trường

kiềm này tồn tại xung quanh các cốt thép đã tạo nên một lớp màng bảo vệ thụ động, cho nên nếu không có các tác động có tính axít mạnh từ môi trường bê ngoài thì về mặt lý thuyết, các cốt thép trong bê tông không dễ bị ăn mòn Tuy nhiên, lớp màng bảo vệ kiềm này không phải luôn bền vững, hiện tượng cácbonát hóa bê tông như phân tích ở trên đã làm cho độ kiềm trong bê tông

bị giảm, gây phá hủy lớp bảo vệ thụ động, cộng với sự thâm nhập của ion clorua vào bên trong bê tông là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn các cốt thép

27

Hình 2.5 - C ốt thép bị ăn mòn trong các công trình cầu bê tông cốt thép

Khi cốt thép còn được bao bọc bởi các lớp bê tông bảo vệ đặc chắc thì môi trường kiềm trong bê tông đủ cao để tạo ra một lớp bảo vệ các cốt thép

Nếu màng bảo vệ này bị phá hủy (bê tông bị ăn mòn, bị phá hủy hay nứt), quá trình ăn mòn các cốt thép sẽ xảy ra Dạng ăn mòn điển hình nhất đối với các

cốt thép là ăn mòn điện hóa xảy ra do dụng xâm thực của các ion clorua

ngấm qua bê tông Trong quá trình bị ăn mòn, cốt thép sẽ bị han rỉ và trương

nở thể tích, lớp bê tông bảo vệ vì thế lại càng bị phá hủy mạnh gây phá hỏng

kết cấu bê tông cốt thép Quá trình màng thụ động xung quanh các cốt thép bị xuyên thủng chỉ xảy ra khi xuất hiện đồng thời cả hai điều kiện dưới đây: + Độ pH của bê tông miền tiếp giáp với cốt thép bị giảm, thấp hơn giá

trị cần thiết để bảo toàn trạng thái thụ động

+ Nồng độ một số ion xâm thực, điển hình là ClP

ˉ

P

, vượt quá giới hạn, gây

mất ổn định màng thụ động Về mặt hóa học quá trình ăn mòn cốt thép diễn ra theo phản ứng hóa học:

4Fe + 6HR 2 RO + 3OR 2 R = 4Fe(OH)R 2 R (2.18)

28

Về bản chất đây là quá trình điện hóa xảy ra theo phản ứng ôxy hóa khử

dị thể Khi lớp màng thụ động bị phá vỡ, trên bề mặt cốt thép xuất hiện vô số các pin tế vi với 2 cực anốt và catốt Tại các cực này xảy ra các phản ứng (Hình 2.6):

+ Tại anốt là quá trình sắt bị hòa tan, ion FeP

Hình 2.6 - Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hoá các cốt thép trong bê tông

Các phản ứng (2.19) ở anốt và (2.20) ở catốt chỉ là bước đầu của quá trình tạo ra rỉ sắt trên các cốt thép Rỉ sắt được tạo ra theo các phản ứng tiếp theo như sau:

FeR 2+ R+ 2OHˉ = Fe(OH)R 2 R (2.21) 4Fe(OH)R 2 R + OR 2 R + HR 2 RO = 4Fe(OH)R 2 R

(2.22) 2Fe(OH)R 2 R = FeR 2 ROR 3 R.HR 2 RO + 2HR 2 RO (2.23)

29

Sản phẩm FeR 2 ROR 3 R.HR 2 RO chính là rỉ sắt mà chúng ta quan sát được trên bề

mặt các cốt thép bị ăn mòn Sản phẩm này có tính xốp, tích tụ trên bề mặt cốt thép với thể tích lớn gấp 4 đến 10 lần so với các thành phần ban đầu, chính vì

vậy đã gây nội ứng suất làm nứt vỡ bê tông dọc theo vị trí đặt cốt thép Cũng chính từ các vị trí này, các tác nhân xâm thực dễ dàng xâm nhập vào bên trong, làm gia tăng quá trình ăn mòn cốt thép

Theo cơ chế trên, có thể thấy chỉ có OR 2 R mới tham gia phản ứng hình thành rỉ sắt, nước chỉ tạo điều kiện cho phản ứng thủy phân xảy ra OR 2 R có thể khuyết tán qua lớp bê tông bảo vệ đến bề mặt cốt thép Như vậy trong trường

hợp bê tông khô phản ứng thủy phân khó diễn ra Trong trường hợp bê tông

ngập nước, do OR 2 R hòa tan trong nước ít, nên cũng ít có khả năng xảy ra phản ứng tạo rỉ thép Điều này lý giải vì sao vùng nước lên xuống, vùng sóng đánh

và vùng khí quyển ven biển được coi là các vùng khí hậu có tính xâm thực

mạnh nhất, gây ra ăn mòn của các cốt thép trong các công trình giao thông, xây dựng, thủy lợi Tại các vùng này, bê tông bị làm ẩm và khô liên tục, xen

kẽ nhau, là điều kiện cho một lượng khí OR 2 R và nước được tích tụ đủ lớn để gây ra các phản ứng điện hóa gây ăn mòn các cốt thép

Tuy nhiên OR 2 R và HR 2 RO chỉ tham gia vào phản ứng gây gỉ, còn điều kiện

để phản ứng này xảy ra là màng thụ động trên bề mặt cốt thép phải bị xuyên

thủng Cơ chế xuyên thủng màng thụ động này tuy còn nhiều bàn cãi, song về nguyên tắc hầu hết các nhà nghiên cứu đều thống nhất là khi độ pH của môi trường bê tông bị giảm đến một giới hạn nào đó thì hiện tượng đó xảy ra

Giới hạn của độ pH đủ để làm mất trạng thái thụ động dao động trong khoảng từ 9 đến 11.5 Nguyên nhân dẫn đến việc độ pH của bê tông bị giảm

có một số lý do sau:

+ Quá trình cacbonat hóa bê tông dưới tác dụng của COR 2 Rcó trong môi trường theo phản ứng:

30

Ca(OH)R 2 R + COR 2 R = CaCOR 3 R + HR 2 RO (2.24)

Quá trình này diễn ra trong bê tông từ ngoài vào trong, theo thời gian Tuy nhiên để quá trình cacbonat hóa diễn ra hoàn toàn (khi đó pH của bê tông

chỉ còn khoảng 9) ngay cả khi có chiều dày lớp bê tông bảo vệ mỏng cũng cần

một khoảng thời gian dài (20 ÷ 30 năm trở lên) Mặt khác kết quả khảo sát nhiều công trình thực tế chứng minh thậm chí những kết cấu bê tông có độ pH còn rất cao (>11.5) nhưng hiện tượng ăn mòn vẫn diễn ra

+ Nguyên nhân do tác động của ion Clˉ; Ion Clˉcó thể có mặt trong bê tông với các lý do sau:

- Kết cấu bê tông làm việc trong môi trường biển hoặc các môi trường

chứa Clo khác

- Bê tông được chế tạo từ các vật liệu nhiễm mặn

- Khi xử lý bê tông bằng các chất làm tan băng

- Khi xử lý các phụ gia rắn nhanh chứa clo.v.v…

2.4 Ăn mòn bê tông ở các vùng biển

Trong môi trường biển và các vùng ven biển, bê tông trong các công trình xây dựng, giao thông, nhất là công trình thủy lợi có nguy cơ bị ăn mòn

lớn nhất Ở những vùng này hiện tượng ăn mòn và phá hủy bê tông thường

xảy ra mạnh đối với kết cấu nằm ở vị trí tiếp xúc với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió và khô ẩm phía mặt ngoài công trình Với những

kết cấu nằm ở vị trí khác, khô ráo và không bị ẩm ướt thường ít bị hư hỏng do

ăn mòn hơn